WJ-7型無砟軌道扣件彈條強度分析

黃旭升，王時越,2，伍 曾，李波最,3，劉國壽，吳潔好

(1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災(zāi)重點實驗室，云南 昆明 650500；3.昆明市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，云南 昆明 650200)

隨著我國高速鐵路持續(xù)快速發(fā)展，對配套的扣件系統(tǒng)也提出了更高的要求?？奂棗l在工作狀態(tài)下承受拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切的作用，受力狀態(tài)較為復(fù)雜。目前國內(nèi)外許多學者對彈條做了相關(guān)研究，大多集中在以下幾個方面：①通過有限元模擬在不同扣壓量、壓緊位移和扣壓力下對彈條進行靜力分析[1-2]；②動載作用下彈條的動力特性分析和疲勞性能研究[3]；③彈條的斷裂分析與優(yōu)化設(shè)計[4]。但是，對WJ-7型無砟軌道扣件彈條研究的文獻較少。伍曾等[5]對WJ-7型扣件扣壓力損失的室溫蠕變進行了試驗研究。羅曜波等[6]對WJ-7型扣件彈條在軌道荷載下的動力響應(yīng)做了有限元模擬。目前，對該彈條的力學性能分析多以標準GB/T 1222—2016《彈簧鋼》中原材料的參數(shù)為準[7]，還沒有關(guān)于該彈條成型后的材料機械性能和在不同扣壓力下應(yīng)力分布的相關(guān)文獻。本文以WJ-7型扣件彈條為研究對象，通過拉伸試驗得到成型后彈條材料的抗拉強度，并采用應(yīng)變電測和有限元模擬相結(jié)合的方法，得到扣件在不同扣壓力下的應(yīng)力分布。

1 材料性能試驗

WJ-7型扣件彈條的原材料為60Si2MnA彈簧鋼，生產(chǎn)工藝流程為：剪切下料→感應(yīng)加熱→三道成型→余溫淬火→回火→預(yù)壓→拋丸→靜電噴粉防腐→包裝[8]。經(jīng)過多道工序加工，彈條的各種性能相比原材料得到大幅度提升。為了得到彈條實際的力學性能，首先進行材料試驗，從圖1所示的彈條內(nèi)臂截取平直段，加工為圖2所示試樣，在MTS810試驗機上進行靜載拉伸試驗，得到彈條的抗拉強度為 1 900 MPa。

圖1 彈條示意

圖2 彈條材料試樣(單位：mm)

2 數(shù)值模擬

在實際工作中，彈條與螺栓、鐵墊板和絕緣塊之間有著較為復(fù)雜的作用。為了模擬扣件實際的工作狀態(tài)，采用MIDAS軟件建立包括螺栓、墊板和絕緣塊的扣件計算模型?？奂Ｐ筒牧蠈傩砸姳?。

表1 扣件模型材料屬性

為了準確得到彈條的受力狀態(tài)，約束絕緣塊和鐵墊板(x,y,z)3個方向的位移，約束螺栓(x,y)2個方向的位移，約束彈條趾端下部的(x,y)2個方向的位移，約束彈條跟端z方向的位移。通過在螺栓上部施加均布載荷，分別模擬扣壓力為8，10，12 kN時彈條受力情況，等效應(yīng)力分布結(jié)果見圖3?？芍?，不同扣壓力下等效應(yīng)力的分布規(guī)律相同，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在彈條跟端，在12 kN的扣壓力作用下，彈條跟端等效應(yīng)力約為 2 100 MPa。

圖3 不同扣壓力時等效應(yīng)力分布(單位：MPa)

3 等效應(yīng)力測試

3.1 應(yīng)變電測方案及測試原理

彈條在工作狀態(tài)下應(yīng)力較大的點集中在弧度變化比較明顯的位置和接觸點，有限元數(shù)值模擬結(jié)果顯示彈條跟端及其附近等效應(yīng)力最大，故選取彈條跟端及其他弧度變化明顯位置作為測點。本試驗采用粘貼三軸式應(yīng)變計，應(yīng)變片型號為BE120-1CA。測點位置如圖4所示。

圖4 測點位置

在不同扣壓力下，可以測得應(yīng)變片在45°,0°和-45° 這3個方向的應(yīng)變，通過下式可求出該點的主應(yīng)力[9]。

(1)

式中：σ1,2為主應(yīng)力；E為彈性模量；μ為泊松比；εi-45,εi-0,εi-(-45)分別為應(yīng)變片3個方向的應(yīng)變。

彈條的材料為彈簧鋼。文獻[10]對彈條等效應(yīng)力的選擇做了研究，認為彈條工作時可近似看作兩向應(yīng)力狀態(tài)，畸變能理論最適合作為彈條檢算的強度理論。由下式可以得到各測點的等效應(yīng)力[11]σ為

(2)

3.2 測試結(jié)果

分別在8，10，12 kN扣壓力下測出各測點的等效應(yīng)力，結(jié)果見表2?？芍?，不同扣壓力下最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在4#測點彈條跟端。當扣壓力為12 kN時，最大等效應(yīng)力為 1 942 MPa，超過彈條材料的抗拉強度。

表2 不同扣壓力下彈條各測點等效應(yīng)力 MPa

4 結(jié)果分析

根據(jù)材料拉伸試驗結(jié)果，測得成型后彈條實際抗拉強度為 1 900 MPa，遠高于標準GB/T 1222—2016中對特定尺寸棒材熱處理工藝下60Si2MnA彈簧鋼的抗拉強度 1 570 MPa。這是由于處理工藝的不同會對材料最終的強度產(chǎn)生直接影響。從表2測試結(jié)果可以看出，不同扣壓力下等效應(yīng)力的分布規(guī)律一致，最大等效應(yīng)力都出現(xiàn)在4#測點(彈條跟端)，在12 kN扣壓力下的最大等效應(yīng)力為 1 942 MPa，超過材料的抗拉強度，但未破壞。由于彈條工作時最大等效應(yīng)力在彈條的表面，彈條跟端附近表面應(yīng)力超過屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，局部表層出現(xiàn)微小塑性區(qū)。但材料屈服不會造成彈條斷裂，并且由于彈條的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，進入塑性階段的材料屈服極限增大，強度提高[10]。有限元數(shù)值模擬的等效應(yīng)力分布規(guī)律和測試結(jié)果相同，最大等效應(yīng)力位置均出現(xiàn)在彈條跟端，但是整體應(yīng)力水平比測試結(jié)果偏高，主要原因是彈條在經(jīng)過熱處理工藝之后，還會進行預(yù)壓和拋丸。預(yù)壓[12]工序的增加會帶來變形強化，產(chǎn)生反向應(yīng)力，提高其屈服點和變形抗力。而拋丸是以高速彈丸流噴射彈條表面，使表面發(fā)生塑性變形，形成一定厚度的表面強化層，產(chǎn)生較高的壓應(yīng)力，彈條受荷載后可以抵消部分的拉應(yīng)力，能夠很大程度上改善彈條的受力性能[8]。因此，實測結(jié)果等效應(yīng)力水平較數(shù)值模擬低，可以更好地反映彈條實際的受力狀態(tài)。

5 結(jié)論

1)經(jīng)過熱加工多道工序后的彈條，其材料力學性能有了大幅提高，抗拉強度為 1 900 MPa。

2)有限元模擬和應(yīng)變電測結(jié)果顯示，在不同扣壓力作用下，彈條最大等效應(yīng)力位置出現(xiàn)在彈條跟端，且在扣壓力為12 kN時，彈條跟端等效應(yīng)力超過彈條的抗拉強度。

3)經(jīng)過預(yù)壓和拋丸工序，彈條表面產(chǎn)生塑性變形，提高了彈條的強度和抗變形能力。